РАЗРАБОТКА  ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ  СИСТЕМЫ  ДЛЯ  УПРАВЛЕНИЯ  ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ  УСТАНОВКОЙ  ОПРЕДЕЛЕНИЯ  ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ  ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ  МАТЕРИАЛОВ  К  ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ  РАЗРЯДАМ

Зубиков  Дмитрий  Валерьевич

аспирант  кафедры  «Радиотехнические  устройства»,  Самарский  государственный  технический  университет,  РФ,  г.  Самара

E-mail: 

Мощенский  Юрий  Васильевич

д-р  хим.  наук,  зав.  кафедрой  «Радиотехнические  устройства»,  профессор  Самарского  государственного  технического  университета,  РФ,  г.  Самара

E-mail: 

THE  DESIGN  OF  THE  INFORMATION  AND  MEASUREMENT  SYSTEM  TO  CONTROL  A  TEST  FACILITY  OF  SENSITIVITY  CALIBRATION  OF  POWER-SATURATED  MATERIALS  TO  DISCHARGE  OF  ELECTRICITY

Dmitriy  Zubikov

post-graduate  student  of  Wireless  devices  chair,  Samara  State  Technical  University,  Russia,  Samara

Yuri  Moshchenski

doctor  of  Chemistry,  Head  of  Wireless  devices  chair,  Professor  of  Samara  State  Technical  University,  Russia,  Samara

АННОТАЦИЯ

Определены  задачи,  которые  должна  решать  информационно-измерительная  система  (ИИС)  управления  экспериментальной  установкой  для  оценки  чувствительности  энергонасыщенных  материалов  к  электрическим  разрядам.  По  результатам  оптимизации  обобщенной  структурной  схемы  к  решению  данных  задач  определен  состав  функциональных  блоков  и  предложена  структурная  схема  разрабатываемой  ИИС.  Приведены  блок-схемы  алгоритмов  и  краткое  описание  функционирования  разрабатываемой  ИИС.

ABSTRACT

Problems  are  defined  which  must  be  solved  by  the  information  and  measurement  system  to  control  a  test  facility  of  sensitivity  calibration  of  power-saturated  materials  to  discharge  of  electricity.  According  to  results  of  the  general  structural  scheme  to  solve  these  problems  the  structure  of  functional  units  is  identified;  the  structural  scheme  developed  by  the  information  and  measurement  system  is  offered.  Control  flow  charts  and  brief  functional  description  of  the  developed  information  and  measurement  system  are  given. 

Ключевые  слова:   информационно-измерительная  система;  функциональный  блок;  структурная  схема;  энергонасыщенные  материалы;  чувствительность;  электрический  разряд;  минимальная  энергия  воспламенения.

Keywords :  information  and  measurement  system;  functional  unit;  structural  scheme;  power-saturated  materials;  sensitivity;  discharge  of  electricity;  minimum  ignition  energy.

Основными  задачами,  стоящими  при  разработке  установки  для  определения  чувствительности  энергонасыщенных  материалов  (ЭМ)  к  электрическим  разрядам  являются  следующие:  1)  создание  высокооднородной  смеси  исследуемого  ЭМ  с  воздухом  (пылевоздушной  смеси  —  ПВС)  или  другими  газами;  2)  контроль  газового  состава  ПВС  и  физических  параметров  рабочей  среды;  3)  точное  дозирование  энергии  электрического  заряда;  4)  регистрация  электрических  параметров  искрового  разряда  в  объеме  ПВС  и  выдача  результата.  Решение  задачи  1  путем  циклической  подачи  порошка  из  поочерёдно  опрокидывающихся  вибрирующих  ковшей  [2,  с.  71]  и  задачи  2  путем  сближения  на  заданное  расстояние  заземленного  и  высоковольтного  электродов  требует  использования  в  установке  подвижных  элементов  и,  следовательно,  приводов,  работу  которых  необходимо  синхронизировать.  Решение  задач  3  и  4  требует  использования  блоков  обработки  измерительной  информации  и  контроля  условий  эксперимента.  Описанные  факторы  обуславливают  целесообразность  применения  для  управления  установкой  информационно-измерительной  системы  (ИИС),  обеспечивающей  в  автоматическом  режиме  синхронизацию  работы  измерительных  и  исполнительных  элементов;  сбор,  обработку,  представление  и  хранение  измерительной  информации;  контроль  и  корректировку  условий  эксперимента.

Выбор  и  обоснование  структурной  схемы  ИИС  проводились  путём  оптимизации  обобщённой  схемы  ИИС  (рисунок  1)  к  конкретному  применению  в  соответствии  с  требуемыми  функционалом  и  параметрами  установки.

На  рисунке  1  показаны  следующие  выделяемые  в  обобщённой  структурной  схеме  ИИС  функциональные  блоки  (ФБ):  1  —  первичные  измерительные  преобразователи;  2  —  вторичные  преобразователи;  3  —  АЦП;  4  —  цифровые  устройства;  5  —  устройства  вывода,  регистрации  и  отображения  информации;  6  —  ЦАП;  7  —  интерфейсные  узлы;  8  —  система  шин;  9  —  устройства  управления;  10  —  исполнительные  устройства;  ИФУ  —  интерфейсные  устройства;  ОИ  —  объект  исследования  [1,  с.  187].

Рисунок  1.  Обобщённая  структурная  схема  ИИС

Оптимизация  обобщённой  структурной  схемы  ИИС  к  задаче  измерения  чувствительности  ЭМ  к  электрическим  разрядам  проводилась  путем  определения  конкретных  измерительных  и  управляющих  функций  ИИС  и,  следовательно,  номенклатуры  необходимых  составных  ФБ.  При  этом  учитывалась  связь  номенклатуры  составных  функциональных  блоков  ИИС  с  количеством  механических  приводов  установки,  а  также  с  объемом  и  содержанием  измерительной  информации.  Определенные  таким  образом  перечень  функций  ИИС  и  выполняющих  их  функциональных  блоков  представлены  в  таблице  1.

Таблица  1.

Перечень  функций  ИИС  и  выполняющих  их  функциональных  блоков

Структурная  схема  ИИС,  разработанная  на  основе  сформированного  перечня  ФБ,  показана  на  рисунке  2.  Для  удобства  на  схеме  не  показаны  система  шин,  обеспечивающих  электрическое  и  информационное  сопряжение  ФБ,  ИФУ  и  интерфейсные  узлы  (места  коммутации  шин  с  ИФУ). 

Рисунок  2.  Структурная  схема  разрабатываемой  ИИС

На  рисунке  2  использованы  условные  обозначения,  принятые  в  таблице  1,  а  также:  НК  —  набор  конденсаторов;  Р  —  разрядник.  Поскольку  объёмы  и  требуемая  скорость  поступления  измерительной  информации  и  управляющих  команд,  поступающих  на  преобразование,  не  высоки,  решено  использовать  последовательный  способ  преобразования,  как  наиболее  экономичный.  В  структурной  схеме  применен  один  АЦП  и  один  ЦАП.  При  аналого-цифровом  преобразовании  применено  аналоговое  мультиплексирование  сигналов  всех  входных  каналов,  а  при  цифро-аналоговом  преобразовании  —  преобразование  числовых  кодов  управляющих  команд  одним  ЦАП  и  дальнейшее  аналоговое  демультиплексирование  сигналов,  подаваемых  на  входные  каналы  исполнительных  устройств. 

Блок  схема  алгоритма  работы  ИИС  приведена  на  рисунке  3:

Рисунок  3.  Блок-схема  алгоритма  функционирования  разрабатываемой  ИИС

На  рисунке  3  использованы  следующие  условные  обозначения:  С  —  емкость  конденсатора,  выбираемого  из  набора;  C_min  —  емкость  наименьшего  конденсатора  из  набора;  U  —  напряжение,  до  которого  заряжается  выбранный  разрядный  конденсатор.

Ниже  даны  некоторые  дополнительные  пояснения  к  блок-схеме  алгоритма  работы  ИИС:

1.  На  первом  шаге  экспериментатором  задаются  следующие  исходные  условия:  величина  напряжения,  устанавливаемого  на  разрядном  конденсаторе  U;  амплитуда  и  частота  колебаний  вибросита,  зависящие  от  длительности  его  освобождения  от  порошка  (в  соответствии  с  дисперсным  составом  порошка  исследуемого  ЭМ);  газовый  состав  рабочей  среды  и  плотность  ПВС.

2.  На  втором  шаге  параметры  среды  в  испытательной  камере  приводятся  в  соответствие  с  заданными  условиями  путем  откачки  воздуха  из  камеры  вакуумным  насосом  и  подачи  необходимых  газов  из  баллонов  через  ЭМК.  В  ходе  эксперимента  соответствие  параметров  среды  заданным  условиям  контролируется  газоанализатором,  датчиками  давления  и  температуры,  и  при  необходимости  корректировки  параметров  среды  МК  выдает  на  ГИ4,  ГИ5  соответствующие  команды  на  включение/выключение  ВН  и  ЭМК.

3.  Выбор  конденсатора  из  набора  осуществляется  путем  формирования  МК  сигнала  разрешения  на  выбор  данного  конденсатора  и  подтверждающих  сигналов  выключения  на  остальные  конденсаторы.

4.  При  включении  ГВН  амплитуда  и  частота  выдаваемых  им  импульсов  заряда  конденсатора  задаются  УЭВМ  в  зависимости  от  величины  емкости  выбранного  конденсатора.

5.  Амплитуда  и  частота  импульсов,  выдаваемых  ГИ2  на  электромагнит  вибрации,  устанавливаются  УЭВМ  в  зависимости  от  заданных  оператором  амплитуды  и  частоты  колебаний  вибросита.

6.  Максимальное  сближение  электродов  регулируемое,  составляет  от  1  до  6  мм;  исходное  расстояние  между  электродами  —  20  мм.

7.  После  фиксации  вспышки  электромагнит  вибрации  отключается  только  по  истечении  интервала  времени,  необходимого  для  полного  освобождения  воронкообразного  вибросита  от  порошка  (один  из  заданных  оператором  параметров).  Решение  об  отключении  электромагнита  вибрации  принимается  УЭВМ  при  получении  от  СВ  сигнала  о  его  переполнении  и  обнулении.  Поскольку  интервал  времени  освобождения  вибросита  от  порошка  может  изменяться,  счетчик  времени  должен  быть  регулируемым. 

8.  Если  вспышка  не  была  зафиксирована,  электродвигатель  вращения  запускается  с  целью  доведения  ковшей  до  положения  срабатывания  ДП,  после  чего  цикл  начинает  повторяться  заново  (счетчик  времени  запускается  в  момент  срабатывания  датчика  положения).

Величины  емкости  конденсатора  и  зарядного  напряжения  выбираются  экспериментатором,  исходя  из  требуемой  величины  энергии  разряда. 

В  ИИС  предусмотрено  также  автоматическое  определение  минимальной  энергии  воспламенения  (МЭВ)  ПВС  по  алгоритму,  блок-схема  которого  приведена  на  рисунке  4.  При  этом  возможно  задание  шага  изменения  величины  напряжения  заряда  и  величины  емкости  конденсатора.

На  рисунке  4  использованы  следующие  условные  обозначения:  C_min  и  C_max  —  емкости  соответственно  наименьшего  и  наибольшего  конденсаторов  из  набора;  —  наибольшего  конденсатора  из  набора;  С  —  емкость  выбранного  разрядного  конденсатора;  U_min  и  U_max  —  соответственно  минимальное  и  максимальное  напряжения,  устанавливаемые  на  разрядном  конденсаторе  (U_min  =  3  кВ,  U_max  =  10  кВ);  U  —  напряжение,  до  которого  заряжается  выбранный  разрядный  конденсатор.

Рисунок  4.  Блок-схема  алгоритма  автоматического  определения  МЭВ  ПВС

Некоторые  дополнения  к  блок-схеме  алгоритма  автоматического  определения  МЭВ  ПВС:

1.  Значения  U_min  и  C_min  в  совокупности  определяют  минимальную  энергию  около  50  мДж.

2.  При  включении  бóльшего  по  величине  емкости  конденсатора  установка  нового  значения  U  (меньшего  по  сравнению  с  ранее  установленным)  производится  таким  образом,  чтобы  обеспечить  монотонный  ряд  повышения  энергии  разрядов.

3.  При  определении  области  энергий  устойчивых  срабатываний  шаг  приращения  зарядного  напряжения  уменьшается  с  целью  обеспечения  возможно  наиболее  точного  определения  в  ее  окрестности  чувствительности  исследуемых  ПВС  ЭМ.

Внедрение  предложенной  ИИС  позволит  существенно  повысить  технологическую  безопасность  при  разработке  новых  и  производстве  имеющихся  энергонасыщенных  материалов,  так  как  подавляющее  большинство  из  них  являются  диэлектриками,  склонными  к  сильной  электризации.

Список  литературы:

1.Алиев  Т.М.,  Тер-Хачатуров  А.А.  Измерительная  техника:  учеб.  пособие  для  техн.  вузов.  М.:  Высш.  шк.,  1991.  —  384  с.

2.Овчаренко  А.Г.,  Раско  С.  Л.  Электростатическая  безопасность  пожаро-  и  взрывоопасных  производств.  Алт.  гос.  тех.  ун-т,  БТИ.  Бийск.  Изд-во  Алт.  гос.  тех.  ун-та,  2006.  —  156  с.